圖書館自動導(dǎo)航智能化機器人技術(shù)及應(yīng)用探討

李翠花

摘 要：文章對圖書館磁、光、聲、視覺、慣性和GPS自動導(dǎo)航智能化機器人技術(shù)類型，以及圖書館自動導(dǎo)航智能化機器人技術(shù)的部分應(yīng)用實例等進行了探討。

關(guān)鍵詞：圖書館；智能化機器人；自動導(dǎo)航機器人

中圖分類號：G250文獻標識碼：A文章編號：1003-1588（2019）03-0080-03

在以智能化為主要特征的4.0時代，多種類型的智能化機器人技術(shù)正在快速進入圖書館應(yīng)用領(lǐng)域。作為具有移動功能的圖書館智能化機器人，其自動導(dǎo)航技術(shù)是賦予移動機器人感知能力和行動能力的三大關(guān)鍵技術(shù)之一，也是智能化移動機器人的一個重要特征[1]。

1 圖書館磁自動導(dǎo)航智能化機器人技術(shù)類型

1.1 圖書館磁自動導(dǎo)航智能化機器人技術(shù)

圖書館智能化移動機器人最重要的功能之一就是能夠?qū)崿F(xiàn)自動導(dǎo)航。根據(jù)不同場所使用機器人的不同設(shè)計需求，兩種或兩種以上的自動導(dǎo)航技術(shù)混合或聯(lián)合使用，能補齊各自的短板。目前，在圖書館智能化機器人的自動導(dǎo)航技術(shù)類型中，有磁、光、聲、視覺、慣性和GPS等多種自動導(dǎo)航技術(shù)類型。其中，光導(dǎo)航技術(shù)類型中的激光自動導(dǎo)航技術(shù)類型成為圖書館機器人應(yīng)用的主力導(dǎo)航類型。磁自動導(dǎo)航技術(shù)類型的原理是通過磁場強度的變化和作用賦予機器人感知能力和行動能力。機器人的感知能力是通過機器人對周圍環(huán)境進行行幀數(shù)字掃描、收集掃描數(shù)據(jù)、統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)、進行邏輯判斷而實現(xiàn)的。機器人的行動能力是在感知過程結(jié)束后，做出行動選擇，規(guī)劃行進路徑，從而實現(xiàn)按照預(yù)定路徑發(fā)生物理位移行為而實現(xiàn)的。

1.2 圖書館尋磁自動導(dǎo)航與電磁自動導(dǎo)航機器人技術(shù)

尋磁自動導(dǎo)航技術(shù)的工作原理是利用磁條傳感器，通過檢測磁場強度識別機器人所要行走的路徑。它可以使機器人始終遵循并保持在固定的磁軌道內(nèi)，而磁傳感器對磁場方向的檢測則可以使機器人辨識運動的方向。尋磁自動導(dǎo)航技術(shù)具有不受聲音和光線影響、磁軌道鋪設(shè)簡單、抗干擾能力強等優(yōu)點。電磁自動導(dǎo)航技術(shù)的工作原理是通過在機器人途經(jīng)的規(guī)劃路徑上鋪設(shè)多條金屬線引導(dǎo)電纜，且在金屬線上加設(shè)頻率不同的導(dǎo)引電流，通過磁感應(yīng)線圈對電流的檢測，即通過對導(dǎo)引頻率的識別，感知機器人經(jīng)過時所產(chǎn)生的路徑信息。電磁自動導(dǎo)航技術(shù)具有不受聲音和光線影響、鋪設(shè)引線隱蔽、抗污染和抗破損能力強、便于控制、通信及制造成本低等優(yōu)點。但它與尋磁自動導(dǎo)航技術(shù)相比，其缺點是路徑難以擴展，適應(yīng)復(fù)雜路徑的局限性較大，這也是電磁自動導(dǎo)航技術(shù)最大的短板[2]。

2 圖書館光自動導(dǎo)航智能化機器人技術(shù)類型

2.1 圖書館激光自動導(dǎo)航智能化機器人技術(shù)

激光自動導(dǎo)航技術(shù)的工作原理是由激光器發(fā)射出一個激光信號，根據(jù)從物體反射回來信號的時間差計算機器人與物體之間的距離，根據(jù)發(fā)射激光的角度確定物體和發(fā)射器的角度，通過距離與角度相結(jié)合，從而確定機器人與物體相向的準確位置[3]。它是目前最穩(wěn)定、最可靠、性能最高的自動導(dǎo)航技術(shù)類型之一，同時具有連續(xù)使用壽命長、后期改造成本低等優(yōu)點。在激光自動導(dǎo)航技術(shù)的模式方面，采用激光自動導(dǎo)航技術(shù)的圖書館智能化機器人一般同時配備自主導(dǎo)航模式和固定導(dǎo)航模式兩種激光自動導(dǎo)航模式。自主導(dǎo)航模式的自動化程度更高，它可以使機器人在陌生的環(huán)境中行走完一個完整的循環(huán)路徑后，即可自主繪制出所經(jīng)過路徑的地圖模板。根據(jù)該地圖模板，它會啟用自主導(dǎo)航模式，自動規(guī)劃導(dǎo)航的行走路徑，以及啟動自動規(guī)避功能進行自動避障。

2.2 圖書館紅外光自動導(dǎo)航智能化機器人技術(shù)

典型的紅外光傳感器包括兩個主要構(gòu)成部分，即固態(tài)發(fā)光二極管和固態(tài)光敏二極管。前者用于發(fā)射紅外光，后者用于接收紅外光。紅外光自動導(dǎo)航技術(shù)的工作原理是由紅外光敏二極管接收由紅外發(fā)光二極管發(fā)射、經(jīng)過調(diào)制并反射的信號，通過紅外光傳感器可以測出機器人距離目標物體的位置，進而通過其他的信息處理方法實現(xiàn)對移動機器人的自動導(dǎo)航。它具有自動導(dǎo)航靈敏度高、角度分辨率高、結(jié)構(gòu)簡單和成本低廉等優(yōu)點，因此，該類自動導(dǎo)航技術(shù)更適合圖書館智能化移動機器人。如：機器人在書庫中行走時，遇到在書庫中瀏覽的讀者可以啟動自動避障功能，防止與讀者發(fā)生碰撞。紅外光自動導(dǎo)航技術(shù)經(jīng)常被用在圖書館文獻拾取所用的多關(guān)節(jié)機器人中，構(gòu)成文獻拾取機器人手臂的“敏感皮膚”，從而可以檢測到文獻拾取機器人手臂運行過程中遇到的各種物體。

3 圖書館聲自動導(dǎo)航智能化機器人技術(shù)類型

3.1 圖書館超聲波自動導(dǎo)航智能化機器人技術(shù)

超聲波被應(yīng)用于機器人，是一種典型的聲自動導(dǎo)航智能化機器人技術(shù)類型。超聲波自動導(dǎo)航技術(shù)的程序經(jīng)歷了發(fā)出超聲波、反射超聲波和接收反射波三個過程。發(fā)出超聲波的工作是由超聲波傳感器的發(fā)射探頭完成的，反射超聲波是指超聲波在傳輸介質(zhì)中遇到障礙物返回，接收反射波是由接收系統(tǒng)完成，通過計算超聲波發(fā)出及反射回波的時間差和傳播速度，得出超聲波傳播的距離，進而獲得機器人與障礙物之間的距離[4]。其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下三個方面：一是源于超聲波傳感器所具有的高、快、廉等特點，即距離分辨率高、采集信息速率快、制造成本低廉。二是測距速度快捷，數(shù)據(jù)的實時性能優(yōu)良。三是不易受外界環(huán)境條件的影響，如氣候條件、光線條件、障礙物的陰影，以及物體表面的粗糙程度等。

3.2 圖書館超聲波自動導(dǎo)航智能化機器人技術(shù)的改進措施

超聲波自動導(dǎo)航技術(shù)也并非是十全十美的。例如，超聲波傳感器自身就存在鏡面反射問題和有限的波束角問題。技術(shù)上的解決方法通常是設(shè)置多個傳感器相互配合，聯(lián)合構(gòu)成一整套超聲波傳感器系統(tǒng)。因為單個超聲波傳感器難以充分獲知周邊的環(huán)境信息，而多個傳感器組成的超聲波傳感器系統(tǒng)則可以充分發(fā)揮其聯(lián)合效能。其他的解決方法是將發(fā)射裝置與接收裝置分開設(shè)置，在移動機器人上安裝超聲波發(fā)射探頭，在環(huán)境地圖中布置多個接收裝置，通過串行通信先把超聲波傳感器采集到的信息傳遞給移動機器人的控制中心，控制中心再根據(jù)采集到的信號及所建立的數(shù)學(xué)模型進行相對應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，最終使機器人得到準確位置的環(huán)境信息。

4 圖書館視覺自動導(dǎo)航智能化機器人技術(shù)類型

4.1 圖書館視覺自動導(dǎo)航智能化機器人技術(shù)

目前，圖書館視覺自動導(dǎo)航智能化機器人技術(shù)也被稱為即時定位與地圖構(gòu)建自動導(dǎo)航技術(shù)。視覺自動導(dǎo)航技術(shù)的實現(xiàn)要經(jīng)過四個工作階段，即視覺信息采集階段、視覺信息壓縮階段、視覺信息反饋階段和視覺信息處理階段，視覺自動導(dǎo)航技術(shù)的工作原理就體現(xiàn)在這四個階段中。視覺信息采集是通過攝像頭對機器人周邊的環(huán)境進行圖像信息收集；視覺信息壓縮是計算機將采集到的光學(xué)信息數(shù)據(jù)進行數(shù)字壓縮；視覺信息反饋是將壓縮后的數(shù)字信息反饋到計算機學(xué)習子系統(tǒng)中，該系統(tǒng)由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和統(tǒng)計學(xué)方法構(gòu)成；視覺信息處理是將圖像信息與機器人的實際位置相互關(guān)聯(lián)，從而實現(xiàn)機器人的視覺自動導(dǎo)航技術(shù)功能。

4.2 圖書館視覺自動導(dǎo)航智能化機器人技術(shù)的改進措施

在圖書館視覺自動導(dǎo)航智能化機器人技術(shù)系統(tǒng)中，國內(nèi)外應(yīng)用較多的傳統(tǒng)方式是為機器人安裝車載攝像機。由于受車載攝像機數(shù)量不能太多的限制，這種方式屬于一種基于局部視覺的自動導(dǎo)航方式。在采用視覺自動導(dǎo)航的技術(shù)類型中，控制設(shè)備和傳感裝置都被固定安裝在機器人的移動車體上，其視覺圖像識別和行走路徑規(guī)劃等都由車載控制計算機指揮和實施完成。為了突破車載攝像機數(shù)量的制約，目前很多視覺自動導(dǎo)航機器人技術(shù)系統(tǒng)已經(jīng)采用CCD圖像傳感器，用以替代價格昂貴且數(shù)量受限的車載攝像機系統(tǒng)[5]。如：其中的面陣CCD圖像傳感器采集的視覺圖像分辨率最高可達到1024×1024像素，能滿足機器人在圖書館工作中的圖像信息采集需求。

5 圖書館慣性和全球定位系統(tǒng)自動導(dǎo)航智能化機器人技術(shù)類型

5.1 圖書館慣性自動導(dǎo)航智能化機器人技術(shù)

在圖書館慣性自動導(dǎo)航智能化機器人的技術(shù)類型中，有采用陀螺儀簡寫方式進行慣性自動導(dǎo)航的技術(shù)類型。慣性自動導(dǎo)航技術(shù)是一種相對簡單的自動導(dǎo)航技術(shù)類型，多被用于較為簡單的機器人。它的基本原理是在牛頓力學(xué)定律的基礎(chǔ)上，利用慣性元件通過測量載體在慣性參考系中的加速度，對時間進行積分，并將其變換到導(dǎo)航坐標系中加以運算，進而得到機器人所需要的有關(guān)運行速度、移動方向、所處位置的相關(guān)數(shù)據(jù)信息。它在一般情況下采用的傳感器組合是三軸陀螺儀加三軸加速度計，用以完成載體的姿態(tài)解算和位置解算。為了進一步提高自動導(dǎo)航的精準度，圖書館一般使用傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，同時配合使用二階或高階龍格庫塔方程等方法。

5.2 圖書館全球定位系統(tǒng)自動導(dǎo)航智能化機器人技術(shù)

全球定位系統(tǒng)（GPS）自動導(dǎo)航技術(shù)的工作原理是采用偽距差分動態(tài)自動導(dǎo)航方法，用基準接收機和動態(tài)接收機共同觀測4顆GPS衛(wèi)星，通過GPS模塊實時接收衛(wèi)星發(fā)射的所有數(shù)據(jù)信息，按照一定的算法，通過與機器人所處位置坐標的比對計算，求出某時刻機器人的三維位置坐標，從而控制機器人的運行方向，以及實現(xiàn)對機器人的精確導(dǎo)航[6]。由于在移動機器人的導(dǎo)航過程中，移動GPS接收機的定位精度受多重因素的影響，如衛(wèi)星信號、道路環(huán)境、時鐘誤差、傳播誤差及接收機噪聲等，單純利用GPS自動導(dǎo)航技術(shù)存在定位精度較低、可靠性不高等問題。因此，GPS自動導(dǎo)航技術(shù)很少被應(yīng)用于圖書館智能化機器人。

6 圖書館自動導(dǎo)航智能化機器人技術(shù)的部分應(yīng)用實例

6.1 圖書館磁導(dǎo)航智能化機器人的應(yīng)用實例

日本大阪市立大學(xué)圖書館使用的智能化機器人采用了自動尋磁導(dǎo)航技術(shù)，機器人的導(dǎo)航是通過預(yù)先埋設(shè)在地面下的磁導(dǎo)引線實現(xiàn)的[7]。德國洪堡大學(xué)圖書館使用的智能化機器人采用了電磁自動導(dǎo)航技術(shù)，機器人以中央閱覽室四周鋼柱上的金屬感應(yīng)條為循跡的依據(jù)，將圖書收納箱自動裝卸在固定的位置。當機器人行駛到電梯門口時，由于電梯門口也設(shè)置有金屬感應(yīng)條，電梯門會自動打開，機器人駛出后再自動關(guān)閉。南京大學(xué)仙林校區(qū)杜廈圖書館投入使用的第一代智能機器人移動書車，也采用了電磁自動導(dǎo)航技術(shù)。

6.2 圖書館激光自動導(dǎo)航智能化機器人的應(yīng)用實例

南京大學(xué)仙林校區(qū)杜廈圖書館使用的第二代智能化機器人采用了通過激光傳感器進行自動導(dǎo)航的技術(shù)，同時又配套安裝了語音識別和發(fā)聲系統(tǒng)，在工作過程中與讀者相遇時，機器人通過語音系統(tǒng)能說出一些常用的問候語和交流語言。該類型機器人的智能化程度也很高，如果它感覺到存儲電量不夠時，即當存儲電量降到預(yù)警線以下時，就會根據(jù)預(yù)先設(shè)定的電量臨界報警程序自動返回充電。

6.3 圖書館超聲波和光學(xué)導(dǎo)航智能化機器人的應(yīng)用實例

除主要采用的磁自動導(dǎo)航和激光自動導(dǎo)航技術(shù)類型外，圖書館智能化機器人還有多種其他類型的自動導(dǎo)航技術(shù)可供設(shè)計和研發(fā)時參考和選擇。超聲波自動導(dǎo)航技術(shù)是利用仿聲學(xué)超聲波傳感器發(fā)射和接受超聲波信號的原理進行工作的。采用超聲波自動導(dǎo)航技術(shù)類型的圖書館智能化機器人2016年已經(jīng)在新加坡圖書館被投入使用，這款自主式機器人同時還利用了激光自動導(dǎo)航技術(shù)。它在利用超聲波和激光器掃描檢查書架后，可將掃描數(shù)據(jù)編寫并生成關(guān)于書架上文獻丟失或排架錯誤的統(tǒng)計報告，其統(tǒng)計數(shù)據(jù)的準確率高達99%[8]。光學(xué)自動導(dǎo)航技術(shù)類型的圖書館智能化機器人采用了紅外光學(xué)傳感技術(shù)的自動導(dǎo)航原理，目前已經(jīng)在西班牙卡斯捷羅大學(xué)圖書館投入使用。

7 結(jié)語

隨著我國基本實現(xiàn)社會主義現(xiàn)代化步伐的加快，大量不同類型的圖書館智能化機器人將被投入圖書館的管理和服務(wù)工作中，如咨詢問答、自動導(dǎo)航、識別定位、文獻拾取、文獻掃描及文獻巡架等，從而為我國進入無人圖書館時代奠定良好的基礎(chǔ)。

參考文獻：

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[8] 減輕員工工作量 新加坡圖書館試用機器人管理員[EB/OL].[2019-01-13].http：//tech.qq.com/a/20160609/021480.htm.

（編校：孫新梅）